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JP2011035948A - Dc−dcコンバータ、制御回路及び電源電圧制御方法 - Google Patents

Dc−dcコンバータ、制御回路及び電源電圧制御方法 Download PDF

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JP2011035948A JP2009176644A JP2009176644A JP2011035948A JP 2011035948 A JP2011035948 A JP 2011035948A JP 2009176644 A JP2009176644 A JP 2009176644A JP 2009176644 A JP2009176644 A JP 2009176644A JP 2011035948 A JP2011035948 A JP 2011035948A
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Kazuyoshi Nimura
一好 二村
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Fujitsu Semiconductor Ltd
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Abstract

【課題】出力電圧の平均値と目標電圧との差を小さく維持することができるDC−DCコンバータを提供する。
【解決手段】比較器25の比較結果に応じてメイン側のトランジスタT1をオンオフ制御するコンパレータ方式のDC−DCコンバータ10の制御回路12は、第1増幅器22と、第2増幅器23と、制御部24とを備える。この第1増幅器22は、出力電圧Voに応じたフィードバック電圧VFBと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin1を増幅し、第2増幅器23は、フィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin2を増幅する。制御部24内の比較器25は、両増幅器22,23の差動出力電圧ΔVout1,ΔVout2に応じて生成される第1電圧V1と第2電圧V2とを比較し、その比較結果に応じて出力信号Vc1を生成する。そして、制御回路12は、その出力信号Vc1に応じてトランジスタT1をオンオフ制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、DC−DCコンバータ、制御回路及び電源電圧制御方法に関するものである。
従来、負荷急変に高速応答できる制御方式として、コンパレータ方式のDC−DCコンバータが知られている(例えば、特許文献1,2参照)。
図11は、従来のコンパレータ方式のDC−DCコンバータの一例を示す。このDC−DCコンバータ60は、コンバータ部61と制御回路62とを備えている。コンバータ部61は、トランジスタT1,T2と、コイルL1と、コンデンサC1とを含む。
制御回路62内の比較器71は、出力電圧Voと基準電圧Vrefとを比較し、その比較結果に応じたレベルの出力信号SG1を1ショットフリップフロップ(FF)回路72に出力する。
FF回路72は、出力電圧Voが基準電圧Vrefより低くなって比較器71からHレベルの出力信号S1が入力されると、セット状態になる。すると、FF回路72は、出力端子QからHレベルの制御信号DHを一定時間出力し(図12参照)、トランジスタT1を一定時間オンさせる。そして、一定時間が経過すると、FF回路72は、リセット状態に戻り、Lレベルの制御信号DHを出力し、トランジスタT1をオフさせる。
このようなDC−DCコンバータ60では、図12に示すように、トランジスタT1のオン動作に基づいて出力電圧Voが上昇し、一定時間経過後にトランジスタT1がオフされると、コイルL1に蓄えられたエネルギーが放出される。コイルL1に蓄えられたエネルギーが減少して出力電圧Voが低下し、その出力電圧Voが基準電圧Vrefよりも低くなると、FF回路72の制御信号DHが一定時間Hレベルとなり、トランジスタT1が再度オンされる。このような動作により、出力端子Poから出力される出力電圧Voが目標電圧である基準電圧Vrefに維持される。
特開2004−104942号公報 特開2007−174772号公報
ところが、上記コンパレータ方式のDC−DCコンバータ60では、入力電圧ViやコンデンサC1の等価直列抵抗(ESR)に依存して、出力電圧Voにリップル電圧が発生する。このリップル電圧に起因して、図12に示すように、出力電圧Voの平均値(破線参照)と目標電圧である基準電圧Vrefとの間に誤差が生じるという問題がある。
開示のDC−DCコンバータは、第1基準電圧と出力電圧に応じたフィードバック電圧との第1の差を増幅する第1増幅器と、前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅する第2増幅器と、前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする制御部と、を有する。
開示のDC−DCコンバータによれば、出力電圧の平均値と目標電圧との差を小さく維持することができるという効果を奏する。
第1実施形態のDC−DCコンバータを示すブロック回路図。 第1及び第2増幅器の内部構成例を示す回路図。 第1及び第2増幅器と制御部の動作を説明するためのシミュレーション結果。 第1及び第2増幅器と制御部の動作を説明するためのシミュレーション結果。 タイマ回路の内部構成例を示す回路図。 第1実施形態のDC−DCコンバータの動作を示すタイミング図。 第2実施形態のDC−DCコンバータを示すブロック回路図。 電流傾斜検出回路の内部構成例を示す回路図。 第2実施形態のDC−DCコンバータの動作を示すタイミング図。 変形例のDC−DCコンバータを示すブロック回路図。 従来例のDC−DCコンバータを示すブロック回路図。 従来例のDC−DCコンバータの動作を示すタイミング図。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態を図1〜図6に従って説明する。
図1に示すように、DC−DCコンバータ10は、入力電圧Viに基づいてその入力電圧Viよりも低い出力電圧Voを生成するコンバータ部11と、出力電圧Voに基づいてコンバータ部11を制御する制御回路12とを含む。
コンバータ部11は、トランジスタT1,T2と、コイルL1と、コンデンサC1とを含む。入力電圧Viが供給される入力端子Piと、出力電圧Voを出力する出力端子Poとの間には、メイン側のトランジスタT1とコイルL1が直列に接続されている。また、入力端子Piと、入力電圧Viより低い電圧を供給するための電源線(本実施形態ではグランド)との間にはメイン側のトランジスタT1と同期側のトランジスタT2が直列に接続されている。
トランジスタT1,T2はNチャネルMOSトランジスタである。トランジスタT1のドレインは入力端子Piに接続され、トランジスタT1のソースはトランジスタT2のドレインに接続され、トランジスタT2のソースはグランドに接続されている。トランジスタT1のゲートには制御回路12から制御信号DHが供給され、トランジスタT2のゲートには制御回路12から制御信号DLが供給される。
トランジスタT1,T2は、制御信号DH,DLに応答してオンオフする。制御回路12は、メイン側のトランジスタT1と同期側のトランジスタT2を相補的にオンオフするように制御信号DH,DLを生成する。
両トランジスタT1,T2間の接続点は、コイルL1の第1端子に接続され、コイルL1の第2端子は出力端子Poに接続されている。また、コイルL1の第2端子は平滑用コンデンサC1の第1端子に接続され、コンデンサC1の第2端子はグランドに接続されている。コンデンサC1は、出力電圧Voを平滑化する平滑回路に含まれる。
メイン側のトランジスタT1がオンし同期側のトランジスタT2がオフした場合、コイルL1に入力電圧Viと出力電圧Voとの差に応じたコイル電流ILが流れ、コイルL1にはエネルギーが蓄積される。一方、メイン側のトランジスタT1がオフし同期側のトランジスタT2がオンすると、コイルL1は蓄えたエネルギーを放出し、そのコイルL1に誘導電流(コイル電流IL)が流れる。そして、制御回路12は、コンバータ部11から帰還される出力電圧Voに基づいて、制御信号DH,DLのパルス幅を調整する。
次に、制御回路12の内部構成を説明する。
制御回路12は、抵抗R1,R2と、積分回路21と、第1増幅器22と、第2増幅器23と、比較器25を含む制御部24と、RS−フリップフロップ回路26と、タイマ回路27と、駆動回路28と、ドライバ回路29,30と、基準電源E1とを含む。
抵抗R1,R2は、上記出力端子Poから帰還される出力電圧Voに応じたフィードバック電圧VFB(本実施形態では、出力電圧Voの分圧電圧)を、積分回路21及び第1増幅器22に供給する分圧回路として機能する。
積分回路21は、オペアンプ21aと、抵抗R3と、コンデンサC2とを含む。具体的には、上記抵抗R1,R2の接続点がオペアンプ21aの入力端子に接続され、そのオペアンプ21aの出力端子が抵抗R3の第1端子に接続されている。抵抗R3の第2端子はコンデンサC2を介してグランドに接続されている。これら抵抗R3及びコンデンサC2の接続点が第2増幅器23の非反転入力端子に接続されている。そして、積分回路21は、入力されるフィードバック電圧VFBを積分し、その積分値をフィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaとして第2増幅器23の非反転入力端子に供給する。
第1増幅器22及び第2増幅器23の各々の反転入力端子には、基準電源E1にて生成される基準電圧Vrが入力される。第1増幅器22は、上記フィードバック電圧VFBと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin1を、利得A1に基づき増幅した差動出力電圧ΔVout1を生成する。また、第2増幅器23は、上記平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin2を、利得A2に基づき増幅した差動出力電圧ΔVout2を生成する。なお、第1増幅器22の利得A1が第2増幅器23の利得A2よりも小さくなるように設定されている。本実施形態では、これら利得A1,A2の利得比(A1/A2)が「1/5」になるように、両増幅器22,23の利得A1,A2が設定されている。
制御部24において、これら第1及び第2増幅器22,23の各々の第1出力端子が互いに接続され、第1及び第2増幅器22,23の各々の第2出力端子が互いに接続されている。また、両増幅器22,23の第1出力端子は比較器25の反転入力端子に接続され、両増幅器22,23の第2出力端子は比較器25の非反転入力端子に接続されている。そして、制御部24は、両増幅器22,23の差動出力電圧ΔVout1,ΔVout2に基づいて、平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin2が小さくなるように、相補電圧(第1電圧V1及び第2電圧V2)を生成する。具体的には、制御部24は、フィードバック電圧VFBと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin1が、平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin2に応じた所定の差に達したときに、第1電圧V1が第2電圧V2を横切るように電圧V1,V2を生成する。
比較器25の各入力端子には、相補電圧(第1電圧V1及び第2電圧V2)が入力される。具体的には、比較器25は、反転入力端子に第1電圧V1が入力され、非反転入力端子に第2電圧V2が入力される。この比較器25は、第1電圧V1と第2電圧V2とを比較し、その比較結果に応じた出力信号Vc1を生成する。本実施形態において、比較器25は、第1電圧V1が第2電圧V2よりも高いときにLレベルの出力信号Vc1を生成し、第1電圧V1が第2電圧V2よりも低くなるとHレベルの出力信号Vc1を生成する。なお、この第1電圧V1が第2電圧よりも低くなってHレベルの出力信号Vc1が出力されるタイミングは、上述したように、平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin2が小さくなるように、増幅器22,23及び制御部24によって調整されている。
RS−フリップフロップ(RS−FF)回路26は、セット端子に出力信号Vc1が供給され、リセット端子にパルス信号S2が供給される。RS−FF回路26は、Hレベルの出力信号Vc1に応答してHレベルの出力信号S1を出力し、Hレベルのパルス信号S2に応答してLレベルの出力信号S1を出力する。すなわち、RS−FF回路26に対して、Hレベルの出力信号Vc1はセット信号であり、Hレベルのパルス信号S2はリセット信号である。RS−FF回路26から出力される出力信号S1は、タイマ回路27と駆動回路28に供給される。
タイマ回路27は、Hレベルの出力信号S1に応答して、その出力信号S1の立ち上がりタイミングから所定時間経過後にHレベルのパルス信号S2を出力する。ここで、この所定時間は、例えば入力電圧Viと出力電圧Voに依存する時間である。つまり、タイマ回路27は、出力信号S1の立ち上がりタイミングから、入力電圧Viと出力電圧Voに依存した時間経過後にHレベルのパルス信号S2を出力する。上記RS−FF回路26は、Hレベルのパルス信号S2に応答してLレベルの出力信号S1を出力する。この結果、RS−FF回路26から出力される出力信号S1は、入力電圧Viと出力電圧Voに依存した期間だけHレベルとなる。
駆動回路28は、RS−FF回路26からの出力信号S1に基づいて、コンバータ部11のトランジスタT1,T2を、相補的にオンオフするように、制御信号SH,SLを生成する。なお、駆動回路28において、両トランジスタT1,T2が同時にオンしないように、制御信号SH,SLにデッドタイムを設定してもよい。
ドライバ回路29は、制御信号SHに応答して制御信号DHを出力する。このドライバ回路29の高電位側の電源端子にはバイアス電圧VBがダイオードD1を介して供給される。また、ドライバ回路29の高電位側の電源端子は、コンデンサC3を介してトランジスタT1,T2間のノードに接続されている。
ドライバ回路30は、制御信号SLに応答して制御信号DLを出力する。このドライバ回路30の高電位側の電源端子にはバイアス電圧VBが供給される。
本実施形態において、駆動回路28は、Hレベルの出力信号S1に応答してHレベルの制御信号SH及びLレベルの制御信号SLを出力し、Lレベルの出力信号S1に応答してLレベルの制御信号SHとHレベルの制御信号SLを出力する。メイン側のトランジスタT1は、Hレベルの制御信号SHに基づく制御信号DHに応答してオンし、Lレベルの制御信号SHに基づく制御信号DHに応答してオフする。同様に、同期側のトランジスタT2は、Hレベルの制御信号SLに基づく制御信号DLに応答してオンし、Lレベルの制御信号SLに基づく制御信号DLに応答してオフする。
このように構成された制御回路12は、第1電圧V1が第2電圧V2より低くなってHレベルの出力信号Vc1が出力されるとメイン側のトランジスタT1をオンし、同期側のトランジスタT2をオフする。すなわち、上記第1増幅器22、第2増幅器23及び制御部24では、平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin2が小さくなるように、メイン側のトランジスタT1のオンタイミングが調整されている。なお、制御回路12は、トランジスタT1をオンしてから所定時間経過後、トランジスタT1をオフし、トランジスタT2をオンする。
次に、第1増幅器22、第2増幅器23及び制御部24の内部構成の一例を図2に従って説明する。
図2に示すように、第1増幅器22は、電流源35と、入力差動対36と、NチャネルMOSトランジスタである入力トランジスタT3,T4とを含む差動型のトランスコンダクタンスアンプ(gmアンプ)と、抵抗R4,R5とを有する固定利得増幅器である。
電流源35は、入力差動対36内のカレントミラー回路36a,36bに定電流I1を供給する。具体的には、電流源35は、カレントミラー回路36aに電流I11を供給するとともに、カレントミラー回路36bに電流I13を供給する。
カレントミラー回路36aは、NPNトランジスタQ1,Q2を含む。NPNトランジスタQ1のコレクタ及びベースには電流源35が接続され、上記電流I11が供給される。トランジスタQ1,Q2のベースは互いに接続され、トランジスタQ1,Q2のエミッタは抵抗R6,R7をそれぞれ介して入力トランジスタT3のドレインに接続されている。トランジスタQ2のコレクタは、グランドよりも高い電源電圧Vccを供給するための電源線に抵抗R4を介して接続されている。このカレントミラー回路36aは、両トランジスタQ1,Q2の電気的特性に応じて、トランジスタQ1に流れる電流I11に比例した電流I12をトランジスタQ2に流す。この電流I12が抵抗R4によって電圧変換され、トランジスタQ2のコレクタ電圧が比較器25の反転入力端子に入力される。
上記入力トランジスタT3のソースはグランドに接続されている。この入力トランジスタT3のゲートには上記基準電圧Vrが供給される。従って、この入力トランジスタT3には、基準電圧Vrに応じたドレイン電流Iaが流れる。このドレイン電流Iaは入力差動対36の入力電流となる。
一方、カレントミラー回路36bは、NPNトランジスタQ3,Q4を含む。NPNトランジスタQ3のコレクタ及びベースには電流源35が接続され、上記電流I13が供給される。トランジスタQ3,Q4のベースは互いに接続され、トランジスタQ3,Q4のエミッタは抵抗R8,R9をそれぞれ介して入力トランジスタT4のドレインに接続されている。トランジスタQ4のコレクタは、電源電圧Vccを供給するための電源線に抵抗R5を介して接続されている。このカレントミラー回路36bは、両トランジスタQ3,Q4の電気的特性に応じて、トランジスタQ3に流れる電流I13に比例した電流I14をトランジスタQ4に流す。この電流I14が抵抗R5によって電圧変換され、トランジスタQ4のコレクタ電圧が比較器25の非反転入力端子に入力される。なお、本実施形態では、抵抗R5の抵抗値は上記抵抗R4の抵抗値と同一値に設定されている。また、トランジスタQ1,Q2及びトランジスタQ3,Q4の電気的特性は、所望の利得A1が得られるように設定される。
上記入力トランジスタT4のソースはグランドに接続されている。この入力トランジスタT4のゲートには上記フィードバック電圧VFBが供給される。従って、この入力トランジスタT4には、フィードバック電圧VFBに応じたドレイン電流Ibが流れる。このドレイン電流Ibは入力差動対36の入力電流となる。
また、第2増幅器23は、第1増幅器22と同様に、電流源37と、入力差動対38と、NチャネルMOSトランジスタである入力トランジスタT5,T6とを含む差動型のgmアンプと、抵抗R4,R5とを有する固定利得増幅器である。
電流源37は、入力差動対38内のカレントミラー回路38a,38bに定電流I2を供給する。具体的には、電流源37は、カレントミラー回路38aに電流I21を供給するとともに、カレントミラー回路38bに電流I23を供給する。
カレントミラー回路38aは、NPNトランジスタQ5,Q6を含む。NPNトランジスタQ5のコレクタ及びベースには電流源37が接続され、上記電流I21が供給される。トランジスタQ5,Q6のベースは互いに接続され、トランジスタQ5,Q6のエミッタは抵抗R10,R11をそれぞれ介して入力トランジスタT5のドレインに接続されている。トランジスタQ6のコレクタは、電源電圧Vccを供給するための電源線に上記抵抗R4を介して接続されている。このカレントミラー回路38aは、両トランジスタQ5,Q6の電気的特性に応じて、トランジスタQ5に流れる電流I21に比例した電流I22をトランジスタQ6に流す。この電流I22が抵抗R4によって電圧変換され、トランジスタQ6のコレクタ電圧が比較器25の反転入力端子に入力される。
上記入力トランジスタT5のソースはグランドに接続されている。この入力トランジスタT5のゲートには上記基準電圧Vrが供給される。従って、この入力トランジスタT5には、基準電圧Vrに応じたドレイン電流Icが流れる。このドレイン電流Icは入力差動対38の入力電流となる。
一方、カレントミラー回路38bは、NPNトランジスタQ7,Q8を含む。NPNトランジスタQ7のコレクタ及びベースには電流源37が接続され、上記電流I23が供給される。トランジスタQ7,Q8のベースは互いに接続され、トランジスタQ7,Q8のエミッタは抵抗R12,R13をそれぞれ介して入力トランジスタT6のドレインに接続されている。トランジスタQ7のコレクタは、電源電圧Vccを供給するための電源線に上記抵抗R5を介して接続されている。このカレントミラー回路38bは、両トランジスタQ7,Q8の電気的特性に応じて、トランジスタQ7に流れる電流I23に比例した電流I24をトランジスタQ8に流す。この電流I24が抵抗R5によって電圧変換され、トランジスタQ8のコレクタ電圧が比較器25の非反転入力端子に入力される。なお、トランジスタQ5,Q6及びトランジスタQ7,Q8の電気的特性は、所望の利得A2が得られるように設定される。
上記入力トランジスタT6のソースはグランドに接続されている。この入力トランジスタT6のゲートには上記平均電圧VFBaが供給される。従って、この入力トランジスタT6には、平均電圧VFBaに応じたドレイン電流Idが流れる。このドレイン電流Idは入力差動対38の入力電流となる。
また、制御部24において、上記第2増幅器23内のトランジスタQ6のコレクタは、上記第1増幅器22内のトランジスタQ2のコレクタと共に抵抗R4に接続されている。このため、抵抗R4には、トランジスタQ2に流れる電流I12とトランジスタQ6に流れる電流I22とを加算した電流が流れる。従って、電源電圧Vccから抵抗R4による電圧降下(R4×(I12+I22))分だけ低い電圧が第1電圧V1として比較器25の反転入力端子に入力される。このため、電流I12を基準に考えた場合には、加算される電流I22が増加するほど第1電圧V1が低下し、反対に、加算される電流I22が減少するほど第1電圧V1が上昇する。
また、制御部24において、上記第2増幅器23内の上記トランジスタQ8のコレクタは、上記第1増幅器22内のトランジスタQ4のコレクタと共に抵抗R5に接続されている。このため、抵抗R5には、トランジスタQ4に流れる電流I14とトランジスタQ8に流れる電流I24とを加算した電流が流れる。従って、電源電圧Vccから抵抗R5による電圧降下(R5×(I14+I24))分だけ低い電圧が第2電圧V2として比較器25の非反転入力端子に入力される。このため、電流I14を基準に考えた場合には、加算される電流I24が増加するほど第2電圧V2が低下し、反対に、加算される電流I24が減少するほど第2電圧V2が上昇する。
次に、このように構成された第1増幅器22、第2増幅器23及び制御部24の動作を図3及び図4のシミュレーション結果を参照して説明する。
まず、図3に示すように、平均電圧VFBaと基準電圧Vrとが等しい場合の動作について説明する。平均電圧VFBaと基準電圧Vrとが等しい、すなわち差電圧ΔVin2が0(ゼロ)の場合には、入力トランジスタT5,T6にそれぞれ流れる電流Ic,Idが等しくなる。すると、カレントミラー回路38a,38bにそれぞれ供給される電流I21,I23が等しくなり、それら電流I21,I23に比例する電流I22,I24も等しくなる。このため、電流I22と電流I24との差分電流はゼロになる。従って、このような場合には、第1増幅器22のみによって動作する場合と同様の動作となる。
このとき、フィードバック電圧VFBが基準電圧Vrよりも高い場合には(図3の時刻t1〜t2参照)、入力トランジスタT4に流れる電流Ibが入力トランジスタT3に流れる電流Iaよりも大きくなる。すると、これら電流Ib,Iaの差分値(基準電圧Vrとフィードバック電圧VFBの差電圧)に応じて、カレントミラー回路36bに供給される電流I13がカレントミラー回路36aに供給される電流I11よりも大きくなる。これに伴って、電流I13に比例する電流I14が、電流I11に比例する電流I12よりも大きくなる。これにより、抵抗R5及び電流I14による電圧降下が、抵抗R4及び電流I12による電圧降下よりも大きくなるため、第2電圧V2(トランジスタQ4のコレクタ電圧)が第1電圧V1(トランジスタQ2のコレクタ電圧)よりも低くなる。なお、このときの第1電圧V1と第2電圧V2の差電圧(ここでは、トランジスタQ2のコレクタ電圧とトランジスタQ4のコレクタ電圧との差電圧、つまり差動出力電圧ΔVout1)は、基準電圧Vrとフィードバック電圧VFBの差電圧によって決まる。すなわち、図3に示すように、基準電圧Vrとフィードバック電圧VFBの差電圧が小さくなるほど、第1電圧V1と第2電圧V2の差電圧が小さくなる。
やがて、フィードバック電圧VFBと基準電圧Vrとが等しくなると(時刻t2参照)、入力トランジスタT3,T4にそれぞれ流れる電流Ia,Ibが等しくなる。すると、トランジスタQ2に流れる電流I12とトランジスタQ4に流れる電流I14とが等しくなるため、第1電圧V1と第2電圧V2とが等しくなる。なお、このように第1電圧V1が第2電圧V2を横切ると、比較器25からHレベルの出力信号Vc1が出力される。
続いて、フィードバック電圧VFBが基準電圧Vrよりも低い場合について説明する。なお、図1に示す回路では、上記Hレベルの出力信号Vc1が出力されると、メイン側のトランジスタT1がオンされ、それに伴って出力電圧Vo(フィードバック電圧VFB)が上昇し始める。このため、図3の時刻t2以降のようにフィードバック電圧VFBが減少し続けることはない。しかし、本シミュレーションにおいては、増幅器22,23及び制御部24の動作を明確にするために、Hレベルの出力信号Vc1が出力された後も、フィードバック電圧VFBが減少し続けるようにしている。この点は、図4のシミュレーション結果においても同様である。
図3の時刻t2以降のように、フィードバック電圧VFBが基準電圧Vrよりも低い場合には、入力トランジスタT4に流れる電流Ibが入力トランジスタT3に流れる電流Iaよりも小さくなる。すると、これら電流Ib,Iaの差分値に応じて、カレントミラー回路36bに供給される電流I13がカレントミラー回路36aに供給される電流I11よりも小さくなる。これに伴って、電流I13に比例する電流I14が、電流I11に比例する電流I12よりも小さくなる。これにより、抵抗R5及び電流I14による電圧降下が、抵抗R4及び電流I12による電圧降下よりも小さくなるため、第2電圧V2が第1電圧V1よりも高くなる。なお、このときの第1電圧V1と第2電圧V2の差電圧は、基準電圧Vrとフィードバック電圧VFBの差電圧が大きくなるほど、大きくなる。
以上のように、平均電圧VFBaと基準電圧Vrとが等しい場合には、フィードバック電圧VFBと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin1に合わせて第1電圧V1及び第2電圧V2が生成される。従って、この場合には、フィードバック電圧VFBが基準電圧Vrよりも低くなるときに、第1電圧V1が第2電圧V2よりも低くなってHレベルの出力信号Vc1が出力され、メイン側のトランジスタT1がオンされることになる。
次に、図4に示すように、平均電圧VFBaが基準電圧Vrよりも高い場合の動作について説明する。このような高い場合には、増幅器22,23及び制御部24は、平均電圧VFBaが基準電圧Vrに近づくように、第1電圧V1及び第2電圧V2を生成する。具体的には、平均電圧VFBaが基準電圧Vrに近づくように、第1電圧V1が第2電圧V2よりも低くなるタイミング(Hレベルの出力信号Vc1が出力されるタイミング)、つまりメイン側のトランジスタT1のオンタイミングを調整している。以下に、その詳細な動作について説明する。
図4に示すように、平均電圧VFBaが基準電圧Vrよりも高い場合には、入力トランジスタT6に流れる電流Idが入力トランジスタT5に流れる電流Icよりも大きくなる。すると、これら電流Ic,Idの差分値(基準電圧Vrと平均電圧VFBaの差電圧ΔVin2)に応じて、カレントミラー回路38bに供給される電流I23がカレントミラー回路38aに供給される電流I21よりも大きくなる。これに伴って、電流I23に比例する電流I24が、電流I21に比例する電流I22よりも大きくなる。このときの電流I22と電流I24との差分電流は、基準電圧Vrと平均電圧VFBaの差電圧ΔVin2が大きくなるほど、大きくなる。すなわち、差電圧ΔVin2が大きくなるほど、電流I24が増加するとともに、電流I22が減少する。
このとき、フィードバック電圧VFBが基準電圧Vrよりも高い場合には(時刻t3〜t4参照)、上述した動作と同様に、入力トランジスタT4に流れる電流Ibが入力トランジスタT3に流れる電流Iaよりも大きくなる。すると、電流I13に比例する電流I14が、電流I11に比例する電流I12よりも大きくなる。これにより、抵抗R5及び電流I14による電圧降下が、抵抗R4及び電流I12による電圧降下よりも大きくなるため、トランジスタQ4のコレクタ電圧がトランジスタQ2のコレクタ電圧よりも低くなる。このとき、抵抗R4には電流I12と上記差電圧ΔVin2が大きくなるほど減少する電流I22とを加算した電流が流れ、抵抗R5には電流I14と上記差電圧ΔVin2が大きくなるほど増加する電流I24とを加算した電流が流れる。このため、第1電圧V1は、差電圧ΔVin2が大きくなって電流I22が減少するほど、トランジスタQ2のコレクタ電圧よりも高い電圧になる。また、第2電圧V2は、差電圧ΔVin2が大きくなって電流I24が増加するほど、トランジスタQ4のコレクタ電圧よりも低い電圧になる。換言すると、第1及び第2電圧V1,V2は、トランジスタQ2のコレクタ電圧とトランジスタQ4のコレクタ電圧との差電圧である差動出力電圧ΔVout1から、トランジスタQ6のコレクタ電圧とトランジスタQ8のコレクタ電圧との差電圧である差動出力電圧ΔVout2を減算して生成される。従って、差電圧ΔVin2が大きくなるほど差動出力電圧ΔVout2が大きくなるため、第1電圧V1と第2電圧V2との差電圧が差動出力電圧ΔVout1よりも大きくなる。
このように第1及び第2電圧V1,V2の差電圧が差動出力電圧ΔVout1よりも大きくなると、図4に示すように、フィードバック電圧VFBが基準電圧Vrより低くなるタイミング(時刻t4)よりも遅れて第1電圧V1が第2電圧V2より低くなる(時刻t5)。これにより、比較器25からHレベルの出力信号Vc1が出力され、メイン側のトランジスタT1がオンされる。このときの時刻t4から時刻t5までの遅延時間(遅延量)は、差電圧ΔVin2に応じて設定される。
換言すると、増幅器22,23及び制御部24は、平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin2に応じて、メイン側のトランジスタT1のオンタイミングを調整している。より具体的には、制御部24では、第1増幅器22の差動出力電圧ΔVout1が、差電圧ΔVin2に応じた差動出力電圧ΔVout2に達するまでは、第1電圧V1が未だ第2電圧V2よりも高いため、メイン側のトランジスタT1をオンさせる制御が停止される。そして、制御部24では、第1増幅器22の差動出力電圧ΔVout1が差動出力電圧ΔVout2に達したときに、第1電圧V1が第2電圧V2よりも低くなるため、これに伴ってトランジスタT1がオンされる。従って、基準電圧Vrと平均電圧VFBaとの差電圧ΔVin2が大きいほど、差動出力電圧ΔVout1が差動出力電圧ΔVout2に達するまでに時間がかかるため、トランジスタT1がオフする期間(オフ期間)が長くなる。このオフ期間が長くなった分だけ出力電圧Vo(フィードバック電圧VFB)が低下する期間が長くなるため、フィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaが低下して基準電圧Vrに近づく。
さらに、このとき第1及び第2増幅器22,23の利得A1,A2の利得比(A1/A2)を、1/5に設定するようにしているため、平均電圧VFBaを高精度に基準電圧Vrに収束させることができる。この理由について以下に説明する。
上述したように、第1電圧V1と第2電圧V2が等しくなるとき、すなわち比較器25からHレベルの出力信号Vc1が出力されるとき、差動出力電圧ΔVout1と差動出力電圧ΔVout2とは以下の関係式が成り立つ。
ΔVout1=ΔVout2 ・・・(1)
ここで、差動出力電圧ΔVout1は、第1増幅器22の利得A1に基づいて、基準電圧Vrとフィードバック電圧VFBとの差電圧ΔVin1を増幅した電圧であるため、
ΔVout1=ΔVin1×A1 ・・・(2)
となる。また、差動出力電圧ΔVout2は、第2増幅器23の利得A2に基づいて、基準電圧Vrと平均電圧VFBaとの差電圧ΔVin2を増幅した電圧であるため、
ΔVout2=ΔVin2×A2 ・・・(3)
となる。従って、これら式1〜式3に基づいて、差電圧ΔVin2を下記式4のように表わすことができる。
ΔVin2=(A1/A2)×ΔVin1 ・・・(式4)
この式4から明らかなように、利得比(A1/A2)を小さくすることで、差電圧ΔVin2、つまり基準電圧Vrと平均電圧VFBaとの差電圧を小さくすることができる。すなわち、利得比(A1/A2)を小さくすることで、平均電圧VFBaが基準電圧Vrに近づくように、トランジスタT1のオンタイミングを高精度に調整することができる。
なお、上記式1〜式3に基づいて、差電圧ΔVin1を下記式5のように表わすことができる。
ΔVin1=(A2/A1)×ΔVin2 ・・・(式5)
この式5及び上記式1から、制御部24は、差電圧ΔVin1が、差電圧ΔVin2に応じた所定の差、すなわち(A2/A1)×ΔVin2に達したときに、メイン側のトランジスタT1をオンしているとも言える。
次に、タイマ回路27の内部構成の一例を図5に従って説明する。
図5に示すように、タイマ回路27は、オペアンプ41,42と、インバータ回路43と、コンデンサC11と、抵抗R15と、トランジスタT11〜T14とを含む。
オペアンプ41の非反転入力端子には入力電圧Viが供給されている。オペアンプ41の反転入力端子は抵抗R15の第1端子に接続され、その抵抗R15の第2端子はグランドに接続されている。また、抵抗R15の第1端子はトランジスタT11に接続されている。トランジスタT11はNチャネルMOSトランジスタであり、ソースが抵抗R15に接続され、ゲートがオペアンプ41の出力端子に接続され、ドレインはトランジスタT12に接続されている。
抵抗R15の両端子間には、この抵抗R15に流れる電流と抵抗値に応じた電位差が生じる。オペアンプ41は、抵抗R15とトランジスタT11の間のノードの電位を、入力電圧Viと等しくするように、トランジスタT11のゲート電圧を生成する。従って、トランジスタT11には、入力電圧Viに応じた電流が流れる。
トランジスタT12はPチャネルMOSトランジスタであり、ソースにバイアス電圧VBが供給され、ドレインはトランジスタT11に接続され、ゲートは同トランジスタT12のドレインとトランジスタT13のゲートに接続されている。トランジスタT13はトランジスタT12と同型のMOSトランジスタであり、ソースにバイアス電圧VBが供給されている。従って、トランジスタT12とトランジスタT13はカレントミラー回路に含まれ、このカレントミラー回路は、両トランジスタT12,T13の電気的特性に応じて、トランジスタT11に流れる電流に比例した電流をトランジスタT13に流す。
トランジスタT13のドレインはコンデンサC11の第1端子とトランジスタT14に接続され、コンデンサC11の第2端子はグランドに接続されている。トランジスタT14はNチャネルMOSトランジスタであり、ソースがグランドに接続され、ドレインがトランジスタT13、即ちコンデンサC11の第1端子に接続されている。つまり、トランジスタT14はコンデンサC11に並列接続されている。
トランジスタT14のゲートには、インバータ回路43により出力信号S1を論理反転した信号S1xが供給されている。出力信号S1は、図1に示すRS−FF回路26から出力される信号であり、この出力信号S1がHレベルであるときにメイン側のトランジスタT1(図1参照)がオンし、出力信号S1がLレベルであるときにトランジスタT1がオフする。
一方、トランジスタT14は、信号S1xがHレベルであるとき、つまり出力信号S1がLレベルであるときにオンし、信号S1xがLレベル(出力信号がHレベル)であるときにオフする。コンデンサC11にはトランジスタT13から入力電圧Viに依存した電流が供給される。そして、オンしたトランジスタT14は、コンデンサC11の両端子を互いに接続するため、コンデンサC11の第1端子はグランドレベルとなる。トランジスタT14がオフすると、コンデンサC11は、トランジスタT13から供給される電流により充電される。この結果、コンデンサC11の第1端子のレベルは、グランドレベルから入力電圧Viに応じて上昇する。
すなわち、タイマ回路27は、図1に示すメイン側のトランジスタT1がオフしているときにコンデンサC11の両端子間を短絡して、ノードN1の電圧Vn1をグランドレベルにリセットする。そして、トランジスタT1がオンすると、コンデンサC11の充電を開始する。その結果、ノードN1の電圧Vn1が入力電圧Viに応じて上昇する。
ノードN1はオペアンプ42の非反転入力端子に接続され、そのオペアンプの反転入力端子には出力電圧Voが供給されている。オペアンプ42は、ノードN1の電圧Vn1と出力電圧Voとを比較し、その比較結果に応じた信号S2を出力する。上述したように、ノードN1の電圧Vn1は入力電圧Viに応じて変化する。オペアンプ42は、電圧Vn1が出力電圧Voよりも低いときにLレベルの信号S2を出力し、電圧Vn1が出力電圧Voよりも高くなるとHレベルの信号S2を出力する。そして、電圧Vn1は、メイン側のトランジスタT1がオンすると上昇する。従って、トランジスタT1がオンしてからHレベルの信号S2が出力されるまでの期間は、入力電圧Viと出力電圧Voに依存する。
次に、このように構成されたDC−DCコンバータ10の動作を図6に従って説明する。なお、同図において、縦軸及び横軸は、説明を簡潔にするため、適宜拡大、縮小して示している。
今、比較器25からHレベルの出力信号Vc1が出力され、制御回路12からHレベルの制御信号DH及びLレベルの制御信号DLが出力されている。すると、メイン側のトランジスタT1がオンされ、同期側のトランジスタT2がオフされる。このようにトランジスタT1がオンされると、入力電圧ViからコイルL1を介して出力端子Poに至る電流経路が形成され、コイルL1に流れるコイル電流ILが徐々に増加してコイルL1にエネルギーが蓄積される。これにより、出力電圧Vo(フィードバック電圧VFB)が徐々に上昇する。
やがて、出力信号S1(出力信号Vc1)がHレベルに立ち上がってから所定時間経過後にタイマ回路27からHレベルのパルス信号S2が出力されると、RS−FF回路26がリセットされる。これにより、制御回路12からLレベルの制御信号DH及びHレベルの制御信号DLが出力されるため、トランジスタT1がオフされ、トランジスタT2がオンされる。すると、グランドから出力端子Poに至る電流経路が形成され、この電流経路に流れるコイル電流ILが減少してコイルL1に蓄積されたエネルギーが出力端子Poに向けて放出される。これにより、出力電圧Vo(フィードバック電圧VFB)が徐々に低下する。
このとき、フィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaが基準電圧Vrよりも高い場合には(時刻t10参照)、制御部24によって、これら電圧VFBa,Vrの差電圧ΔVin2及び利得A1,A2に応じた遅延量だけトランジスタT1のオンタイミングが遅延される。詳しくは、第2増幅器23の差動出力電圧ΔVout2に基づいて比較器25にオフセットを持たせることで、第1増幅器22の差動出力電圧ΔVout1のみの場合(破線参照)に比べて第1電圧V1と第2電圧V2との差電圧が増大される。これにより、第1電圧V1が第2電圧V2よりも低くなるタイミング、すなわち差動出力電圧ΔVout1が差動出力電圧ΔVout2に達するタイミングが遅延されるため、トランジスタT1のオンタイミングが遅延される。このように、トランジスタT1のオンタイミングが遅延されると、その分だけトランジスタT1のオフ期間が増大し、出力電圧Vo(フィードバック電圧VFB)が低下する期間が長くなる。このため、フィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaが低下し、その平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin2が小さくなる。
そして、時刻t11のように、第1電圧V1が第2電圧V2よりも低くなると(第1電圧V1が第2電圧V2を横切ると)、比較器25からHレベルの出力信号Vc1が出力される。すると、RS−FF回路26がセットされ、制御回路12からHレベルの制御信号DHが出力されるため、トランジスタT1が再度オンされる。このような動作が繰り返されることにより、出力端子Poから出力される出力電圧Voが基準電圧Vrに基づく目標電圧に維持され、且つフィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaが基準電圧Vrに維持される。
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
(1)フィードバック電圧VFBと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin1を増幅する第1増幅器22と、平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin2を増幅する第2増幅器23とを設けるようにした。また、第1増幅器22の差動出力電圧ΔVout1が第2増幅器23の差動出力電圧ΔVout2に達したとき、つまり上記差電圧ΔVin1が上記差電圧ΔVin2に応じた差(A2/A1)×ΔVin2に達したときに、メイン側のトランジスタT1をオンさせる制御をする制御部24を設けるようにした。これにより、平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差電圧ΔVin2に応じて、トランジスタT1のオンタイミングが調整される。従って、差電圧ΔVin2が大きいほど、トランジスタT1のオンタイミングが遅延されるため、トランジスタT1のオフ期間が長くなる。このオフ期間が長くなった分だけ出力電圧Vo(フィードバック電圧VFB)が低下する期間が長くなるため、フィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaが低下して基準電圧Vrに近づく。この結果、平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差を小さく維持することができ、ひいては出力電圧Voの平均値と基準電圧Vrに基づく目標電圧との差を小さく維持することができる。
(2)第1増幅器22の利得A1を、第2増幅器23の利得A2よりも小さく設定するようにした。これにより、制御部24において、平均電圧VFBaが基準電圧Vrに近づくように、トランジスタT1のオンタイミングを高精度に調整することができる(上記式4参照)。
(第2実施形態)
以下、第2実施形態について、図7〜図9に従って説明する。この実施形態のDC−DCコンバータ10aの制御回路12aは、電流傾斜検出回路31及び加算回路32を追加した点が上記第1実施形態と異なっている。以下、第1実施形態との相違点を中心に説明する。
図7に示すように、電流傾斜検出回路31は、コイルL1に流れるコイル電流ILの負の傾斜を検出し、その検出した傾斜に応じたスロープ電圧VSを生成する。
ここで、コイルL1に流れる電流ILは、図9に示すように、メイン側のトランジスタT1がオンされると増加し、トランジスタT1がオフされると減少する。すなわち、コイル電流ILは、その波形において、オン期間は正の傾斜にて変化し、オフ期間は負の傾斜にて変化する。このようなコイル電流ILの変化分は、コイル電流ILにおけるリップル成分であり、このリップル成分はトランジスタT1のオンオフに対応して変化する。
従って、上記電流傾斜検出回路31は、このコイル電流ILのリップル成分(とくに、トランジスタT1のオフ期間における負の傾斜)を検出し、そのリップル成分に応じたスロープ電圧VSを生成する。具体的には、電流傾斜検出回路31は、コイル電流ILのリップル成分に応じて徐々に増加するスロープ電圧VSを生成する。
加算回路32は、基準電源E1にて生成される第1基準電圧Vr1に、電流傾斜検出回路31にて生成されるスロープ電圧VSを加算して第2基準電圧Vr2を生成し、その第2基準電圧Vr2を第1増幅器22の反転入力端子に出力する。この第2基準電圧Vr2は、メイン側のトランジスタT1のオフ期間におけるコイル電流ILのリップル成分に対応して増加する。
このように第2基準電圧Vr2を、コイル電流ILのリップル成分に応じて変化させることで、上記第1実施形態における出力電圧Voのようなリップル成分を擬似的に生成することができる。これにより、出力電圧Vo(フィードバック電圧VFB)のリップル成分(振幅)を小さく設定しても、フィードバック系が不安定になることを抑制することができ、出力電圧Voを安定化させることができる。ここで、出力電圧Voのリップル成分は、主に、コイルL1に流れるコイル電流ILと、コンデンサC1を接続することによる抵抗成分(等価直列抵抗)により決定される。このため、コンデンサC1におけるリーク電流を小さくする、すなわち等価直列抵抗の抵抗値を小さくすることで、出力電圧Voのリップル成分を小さくすることができる。そこで、本実施形態では、コンデンサC1として等価直列抵抗の抵抗値の小さなコンデンサ(例えば積層セラミックコンデンサ)を用いる。これにより、リップル成分が少なくなって出力電圧Voが安定化するとともに、DC−DCコンバータの小型化及び低コスト化を図ることができる。
また、第1増幅器22aは、反転入力端子に入力される上記第2基準電圧Vr2と、非反転入力端子に入力されるフィードバック電圧VFBとの差電圧ΔVin1を、利得A1に基づき増幅する。第2増幅器23aは、非反転入力端子に入力されるフィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaと、反転入力端子に供給される第1基準電圧Vr1との差電圧ΔVin2を、利得A2に基づき増幅する。なお、これら第1及び第2増幅器22a,23aの内部構成は、図2に示した回路と同様であり、基準電圧Vrに代えて第2基準電圧Vr2及び第1基準電圧Vr1がそれぞれ入力トランジスタT3及び入力トランジスタT5のゲートに供給される点が異なるだけである。
次に、電流傾斜検出回路31の内部構成の一例を図8に従って説明する。
図8に示すように、電流傾斜検出回路31は、オペアンプ51と、遅延回路52と、スイッチSW1と、コンデンサC21とを含む。
オペアンプ51の非反転入力端子は図7に示すコンバータ部11に含まれるコイルL1の入力側端子、すなわちトランジスタT11,T12間のノードに接続され、そのノードにおける電圧(コイル電圧)VLが供給される。また、このノードにはスイッチSW1の第1端子が接続されている。スイッチSW1の第2端子は、オペアンプ51の反転入力端子と、コンデンサC21の第1端子とに接続され、コンデンサC21の第2端子はグランドに接続されている。スイッチSW1の制御端子は遅延回路52に接続されている。
遅延回路52には、メイン側のトランジスタT1(図7参照)をオンオフ制御するための制御信号DHが供給される。遅延回路52は、Hレベルの制御信号DHに応答してHレベルの遅延信号CSを出力し、Lレベルの制御信号DHに応答してそのLレベルの信号DHから所定時間遅延してLレベルの遅延信号CSを出力する(図9参照)。スイッチSW1は、Hレベルの遅延信号CSに応答してオンし、Lレベルの遅延信号CSに応答してオフする。
スイッチSW1がオンすると、オペアンプ51の両端子にはコイル電圧VLが供給される。また、このコイル電圧VLはコンデンサC21の第1端子に供給される。従って、コンデンサC21の第1端子の電圧は、オペアンプ51の端子電圧と等しくなる。
スイッチSW1がオフすると、オペアンプ51の反転入力端子とコンデンサC21の第1端子にはコイル電圧VLが供給されなくなる。その結果、オペアンプ51の反転入力端子の電圧は、コンデンサC21の端子電圧、すなわちコンデンサC21によりスイッチSW1をオフする直前の電圧を保持した電圧となる。このコンデンサC21に保持した電圧を保持電圧VLsとする。
上記遅延回路52は、オペアンプ51の2つの入力端子に供給される電圧が互いに同じ値であるときに、その2つの入力端子のうちの何れか一方(本実施形態では反転入力端子)における電圧をコンデンサC21に保持するために設けられている。上述したように、オペアンプ51の非反転入力端子は図7に示すコイルL1の入力側端子に直接的に接続され、オペアンプ51の反転入力端子はスイッチSW1を介して接続されている。また、オペアンプ51の反転入力端子にはコンデンサC21が接続されている。そして、コイル電圧VLは、図7に示すトランジスタT1,T2の切り替えに応じて変化する。このため、スイッチSW1をオンしているときに、オペアンプ51の両端子における電圧レベルが互いに相違する期間がある。このため、スイッチSW1をオフするタイミングをトランジスタT1,T2の切り替えよりも所定時間遅らせることで、オペアンプ51の両入力端子の電圧レベルが互いに等しくなってからスイッチSW1をオフしてその電圧をコンデンサC21に保持するようにしている。
上記コイル電圧VLは、トランジスタT1のオン期間では、入力電圧Viに応じた電圧となる。そして、コイル電圧VLは、トランジスタT2のオフ期間に、トランジスタT2のオン抵抗によって、コイル電流ILに応じて変化する。なお、オフ期間に、コイル電流ILは減少し、そのコイル電流ILに応じてコイル電圧VLが上昇する。
オペアンプ51は、両端子における電位差を増幅した電位差を増幅した電圧をスロープ電圧VSとして出力する。このスロープ電圧VSは、コイル電圧VLと保持電圧VLsの電位差に対応する、すなわちオフ期間におけるコイル電流ILの変化量(リップル成分)に対応する。このスロープ電圧VSは、オン期間は0Vとなり、スイッチSW1がオフされると、徐々に上昇する。このため、このスロープ電圧VSが第1基準電圧Vr1に重畳されて生成される第2基準電圧Vr2は、図9に示すように、オン期間は第1基準電圧Vr1のレベル(一点鎖線参照)となり、スイッチSW1がオフされると、徐々に上昇する。
次に、このように構成されたDC−DCコンバータ10の動作を図9に従って説明する。なお、同図において、縦軸及び横軸は、説明を簡潔にするため、適宜拡大、縮小して示している。
今、比較器25からHレベルの出力信号Vc1が出力され、制御回路12からHレベルの制御信号DH及びLレベルの制御信号DLが出力され、メイン側のトランジスタT1がオンされ、同期側のトランジスタT2がオフされている(時刻t20参照)。このようにトランジスタT1がオンされると、入力電圧ViからコイルL1を介して出力端子Poに至る電流経路が形成され、コイルL1に流れるコイル電流ILが徐々に増加してコイルL1にエネルギーが蓄積される。これにより、出力電圧Vo(フィードバック電圧VFB)が徐々に上昇する。なお、このトランジスタT1のオン期間における電流傾斜検出回路31では、Hレベルの制御信号DHに応答してHレベルの遅延信号CSが出力されるため、スイッチSW1がオンされ、0Vのスロープ電圧VSが生成される。従って、このトランジスタT1のオン期間では、第2基準電圧Vr2が第1基準電圧Vr1と同じ電圧レベルとなる。
やがて、出力信号S1(出力信号Vc1)がHレベルに立ち上がってから所定時間経過後にタイマ回路27からHレベルのパルス信号S2が出力されると、RS−FF回路26がリセットされる(時刻t21)。これにより、制御回路12からLレベルの制御信号DH及びHレベルの制御信号DLが出力されるため、トランジスタT1がオフされ、トランジスタT2がオンされる。すると、グランドから出力端子Poに至る電流経路が形成され、この電流経路に流れるコイル電流ILが減少してコイルL1に蓄積されたエネルギーが出力端子Poに向けて放出される。これにより、出力電圧Vo(フィードバック電圧VFB)が徐々に低下する。一方、電流傾斜検出回路31では、Lレベルの制御信号DHに応答してその制御信号DHから所定時間経過してLレベルの遅延信号CSが出力されるため、スイッチSW1がオフされ、コイル電流ILの変化量に応じて徐々に増加するスロープ電圧VSが生成される。従って、このトランジスタT1のオフ期間では、第2基準電圧Vr2は徐々に上昇する。
ここで、第2増幅器23aが動作していないと仮定した場合には、フィードバック電圧VFBが第2基準電圧Vr2よりも低くなると(時刻t22)、第1電圧V1が第2電圧V2を横切るため、比較器25からHレベルの出力信号Vc1が出力される。これにより、Hレベルの制御信号DHが出力されるため、トランジスタT1が再度オンされる。但し、この場合には、図9に示すように、フィードバック電圧VFBが第1基準電圧Vr1よりも上昇することになる。このため、フィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaと第1基準電圧Vr1との差電圧ΔVin2が大きくなってしまう。
これに対し、第2増幅器23aを動作させることによって、平均電圧VFBaと第1基準電圧Vr1との差電圧ΔVin2及び増幅器22a,23aの利得A1,A2に応じた遅延量だけトランジスタT1のオンタイミングを遅延させることができる。すなわち、平均電圧VFBaと第1基準電圧Vr1との差電圧ΔVin2が大きいほど、フィードバック電圧VFBと第2基準電圧Vr2との差電圧ΔVin1が上記差電圧ΔVin2に応じた差(A2/A1)×ΔVin2に達するまでに時間がかかる。このため、トランジスタT1のオンタイミングの遅延量が大きくなる。これによって、図9の時刻t23のように、フィードバック電圧VFBが第1基準電圧Vr1よりも低くなった後、上記遅延量だけ遅延してHレベルの出力信号Vc1が出力され、トランジスタT1がオンされる。このように、トランジスタT1のオンタイミングが遅くなると、その分だけトランジスタT1のオフ期間が増大し、出力電圧Vo(フィードバック電圧VFB)が低下する期間が長くなる。このため、フィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaが低下し、その平均電圧VFBaと第1基準電圧Vr1との差電圧ΔVin2が小さくなる。この結果、平均電圧VFBaと第1基準電圧Vr1との差を小さく維持することができ、ひいては出力電圧Voの平均値と第1基準電圧Vr1に基づく目標電圧との差を小さく維持することができる。
そして、上述のように時刻t23において、比較器25からHレベルの出力信号Vc1が出力されると、RS−FF回路26がセットされ、制御回路12からHレベルの制御信号DHが出力されるため、トランジスタT1が再度オンされる。このような動作が繰り返されることにより、出力端子Poから出力される出力電圧Voが第1基準電圧Vr1に基づく目標電圧に維持される。さらに、出力電圧Vo等が安定した状態では、トランジスタT1のオフ期間におけるコイル電流ILの変化量は、一定値であるため、安定した間隔(周期)でトランジスタT1,T2をオンオフすることができる。このため、コイル電流ILのリップル成分を低減し、出力電圧Voを安定化させることができる。
以上説明した実施形態によれば、第1実施形態の(1)及び(2)の作用効果に加えて以下の効果を奏する。
(3)制御回路12の電流傾斜検出回路31は、コイル電流ILのリップル成分のみを検出し、その検出結果に応じたスロープ電圧VSを生成する。加算回路32は、第1基準電圧Vr1にスロープ電圧VSを加算して第2基準電圧Vr2を生成する。また、第1増幅器22aは、出力電圧Voに応じたフィードバック電圧VFBと第2基準電圧Vr2との差電圧を増幅し、第2増幅器23aは、フィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaと第1基準電圧Vr1との差電圧を増幅する。そして、比較器25は、両増幅器22a,23aの出力によって生成される第1電圧V1と第2電圧V2とを比較し、その比較結果に応じた出力信号Vc1を出力する。制御回路12は、この出力信号Vc1に基づいてコンバータ部11のトランジスタT1,T2をオンオフするようにした。その結果、リップルが少ない出力電圧VoであってもトランジスタT1,T2を周期的にオンオフ制御することができるため、出力電圧Voの安定化を図ることができる。
(4)電流傾斜検出回路31は、コイル電流ILのリップル成分のみを検出し、その検出結果に応じたスロープ電圧VSを生成する。従って、出力端子Poに接続された負荷(図示略)によるコンバータ部11における電流(出力電流)のDC的な増減は、スロープ電圧VSに影響しない。このため、出力電流を検出する方式と比べて、安定した出力電圧Voを生成することができる。
(5)平滑用コンデンサC1を接続することによる等価直列抵抗の抵抗値を小さくすることができるため、コンデンサC1に例えば積層セラミックコンデンサを用いることができ、DC−DCコンバータの小型化及び低コスト化を図ることができる。
なお、上記各実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・上記第2実施形態では、コイル電流ILのリップル成分に応じたスロープ電圧VSを第1基準電圧Vr1に付加して第2基準電圧Vr2を生成するようにした。これに限らず、例えばスロープ電圧VSをフィードバック電圧VFBに付加するようにしてもよい。
例えば図10に示すように、制御回路12bは、加算回路32aを含む。加算回路32aの第1の入力端子は抵抗R1と抵抗R2の間に接続され、フィードバック電圧VFBが供給される。加算回路32aの第2の入力端子には電流傾斜検出回路31に接続され、スロープ電圧VSが供給される。加算回路32aは、第1の入力端子に供給されるフィードバック電圧VFBに対して、第2の入力端子に供給されるスロープ電圧VSを重畳してフィードバック電圧VF2を生成する。このとき、第1増幅器22bは、フィードバック電圧VF2と基準電圧Vrとの差電圧を増幅し、第2増幅器23bは、フィードバック電圧VFBの平均電圧VFBaと基準電圧Vrとの差電圧を増幅する。そして、比較器25は、両増幅器22b,23bの出力によって生成される第1電圧V1と第2電圧V2とを比較し、その比較結果に応じた出力信号Vc1を出力する。このように構成したDC−DCコンバータは、上記第2実施形態と同様の効果を奏する。
・上記第2実施形態におけるスロープ電圧VSの生成方法は特に制限されない。例えば、コンバータ部11における出力電流を検出し、その検出結果に応じてスロープ電圧を生成する方式であってもよい。
・上記第2実施形態では、図8に示す遅延回路52に制御信号DHを供給するようにしたが、トランジスタT1のオン期間又はオフ期間に対応する信号であればよく、図7に示す制御信号SHや出力信号S1を遅延回路52に供給するようにしてもよい。また、トランジスタT2をオンオフするための信号DL,SLを論理反転して遅延回路52に供給する、又は信号DL,SLを遅延回路52に供給してその遅延回路52内で論理反転するようにしてもよい。
・上記各実施形態において、タイマ回路27を、出力信号S1の立ち上がりタイミングから、入力電圧Viと出力電圧Voに依存した時間経過後にHレベルのパルス信号S2を出力するように構成したが、このタイマ回路27の構成を適宜変更してもよい。
例えばタイマ回路27を、出力信号S1の立ち上がりタイミングから、固定された時間経過後にHレベルのパルス信号S2を出力するように構成してもよい。また、タイマ回路27を、出力電圧Voのみに依存したタイミングでパルス信号S2を出力するように構成してもよい。また、タイマ回路27を、入力電圧Viのみに依存したタイミングでパルス信号S2を出力するように構成してもよい。
あるいは、RS−FF回路26及びタイマ回路27に代えて1ショットフリップフロップ回路を設けるようにしてもよい。
・上記第2実施形態では、同期側のトランジスタT2のオン抵抗により、コイル電圧VLがコイル電流ILに応じて変化するようにしている。従って、コイル電圧VLがコイル電流ILに応じて変化可能であれば、同期側のスイッチ回路の構成を適宜変更してもよい。例えばトランジスタT2に代えて、抵抗とダイオードの直列回路を接続するようにしてもよい。
・上記第1実施形態では、同期整流方式のDC−DCコンバータに具体化したが、非同期整流方式のDC−DCコンバータに具体化してもよい。
・上記各実施形態では、出力電圧Voを抵抗R1,R2にて分圧した分圧電圧をフィードバック電圧VFBとしたが、これに限らず、例えば出力電圧Voそのものをフィードバック電圧VFBとしてもよい。
・上記各実施形態では、スイッチ回路の一例としてNチャネルMOSトランジスタを開示したが、PチャネルMOSトランジスタを用いてもよい。また、スイッチ回路としてバイポーラトランジスタを用いてもよい。あるいは、複数のトランジスタを含むスイッチ回路を用いてもよい。
・上記各実施形態におけるトランジスタT1,T2を各制御回路12,12a,12bに含めるようにしてもよい。また、コンバータ部11を各制御回路12,12a,12bに含めるようにしてもよい。
・上記各実施形態では、オン時間固定型のDC−DCコンバータに具体化したが、オフ時間固定型のDC−DCコンバータに具体化してもよい。
・上記各実施形態では、入力電圧Viを降圧した出力電圧Voを生成する降圧型のDC−DCコンバータに具体化したが、入力電圧Viを昇圧した出力電圧Voを生成する昇圧型のDC−DCコンバータに具体化してもよい。
以上の様々な実施の形態をまとめると、以下のようになる。
(付記1)
コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式のDC−DCコンバータであって、
第1基準電圧と出力電圧に応じたフィードバック電圧との第1の差を増幅する第1増幅器と、
前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅する第2増幅器と、
前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする制御部と、
を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
(付記2)
コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式のDC−DCコンバータであって、
第1基準電圧にスロープを与えた第2基準電圧と出力電圧に応じたフィードバック電圧との第1の差を増幅する第1増幅器と、
前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅する第2増幅器と、
前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする制御部と、
を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
(付記3)
コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式のDC−DCコンバータであって、
出力電圧に応じたフィードバック電圧にスロープを与えた第1電圧と第1基準電圧との第1の差を増幅する第1増幅器と、
前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅する第2増幅器と、
前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする制御部と、
を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
(付記4)
前記制御部は、前記第1の差としての前記第2基準電圧から前記出力電圧を減じた差が、前記第2の差としての前記積分値から前記第1基準電圧を減じた差に応じた前記差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をすることを特徴とする付記2に記載のDC−DCコンバータ。
(付記5)
前記制御部は、前記第1の差が、前記第2の差に応じた前記差に達するまでは、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御を停止することを特徴とする付記2〜4のいずれか1つに記載のDC−DCコンバータ。
(付記6)
前記第1増幅器の利得は、前記第2増幅器の利得よりも小さいことを特徴とする付記1〜5のいずれか1つに記載のDC−DCコンバータ。
(付記7)
前記スイッチ回路と前記出力電圧を出力する出力端子との間に接続されたコイルと、
前記スイッチ回路のオフ期間に前記コイルに流れるコイル電流の傾斜に応じたスロープ電圧を生成する電流傾斜検出回路と、
前記スロープ電圧を前記第1基準電圧に付加して前記第2基準電圧を生成する加算回路と、
を有することを特徴とする付記2に記載のDC−DCコンバータ。
(付記8)
前記制御部は、前記第1増幅器の出力端子と前記第2増幅器の出力端子とを接続することを特徴とする付記1〜7のいずれか1つに記載のDC−DCコンバータ。
(付記9)
前記第1増幅器及び前記第2増幅器は、トランスコンダクタンスアンプと該トランスコンダクタンスアンプの出力電流を電圧変換するための抵抗とを含むことを特徴とする付記1〜8のいずれか1つに記載のDC−DCコンバータ。
(付記10)
コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式の電源装置の制御回路であって、
第1基準電圧と出力電圧に応じたフィードバック電圧との第1の差を増幅する第1増幅器と、
前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅する第2増幅器と、
前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする制御部と、
を有することを特徴とする制御回路。
(付記11)
コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式の電源装置の制御回路であって、
第1基準電圧にスロープを与えた第2基準電圧と出力電圧に応じたフィードバック電圧との第1の差を増幅する第1増幅器と、
前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅する第2増幅器と、
前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする制御部と、
を有することを特徴とする制御回路。
(付記12)
コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式の電源装置の電源電圧制御方法であって、
第1基準電圧と出力電圧に応じたフィードバック電圧との第1の差を増幅するとともに、前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅し、
前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする、
ことを特徴とする電源電圧制御方法。
(付記13)
コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式の電源装置の電源電圧制御方法であって、
第1基準電圧にスロープを与えた第2基準電圧と出力電圧に応じたフィードバック電圧との第1の差を増幅するとともに、前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅し、
前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする、
ことを特徴とする電源電圧制御方法。
10,10a,10b DC−DCコンバータ(電源装置)
12,12a,12b 制御回路
21 積分回路
22,22a,22b 第1増幅器
23,23a,23b 第2増幅器
24 制御部
25 比較器(コンパレータ)
31 電流傾斜検出回路
32 加算回路
T1 トランジスタ(スイッチ回路)
L1 コイル

Claims (10)

  1. コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式のDC−DCコンバータであって、
    第1基準電圧と出力電圧に応じたフィードバック電圧との第1の差を増幅する第1増幅器と、
    前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅する第2増幅器と、
    前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする制御部と、
    を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
  2. コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式のDC−DCコンバータであって、
    第1基準電圧にスロープを与えた第2基準電圧と出力電圧に応じたフィードバック電圧との第1の差を増幅する第1増幅器と、
    前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅する第2増幅器と、
    前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする制御部と、
    を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
  3. コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式のDC−DCコンバータであって、
    出力電圧に応じたフィードバック電圧にスロープを与えた第1電圧と第1基準電圧との第1の差を増幅する第1増幅器と、
    前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅する第2増幅器と、
    前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする制御部と、
    を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
  4. 前記制御部は、前記第1の差としての前記第2基準電圧から前記出力電圧を減じた差が、前記第2の差としての前記積分値から前記第1基準電圧を減じた差に応じた前記差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をすることを特徴とする請求項2に記載のDC−DCコンバータ。
  5. 前記制御部は、前記第1の差が、前記第2の差に応じた前記差に達するまでは、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御を停止することを特徴とする請求項2〜4のいずれか1つに記載のDC−DCコンバータ。
  6. 前記第1増幅器の利得は、前記第2増幅器の利得よりも小さいことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のDC−DCコンバータ。
  7. 前記スイッチ回路と前記出力電圧を出力する出力端子との間に接続されたコイルと、
    前記スイッチ回路のオフ期間に前記コイルに流れるコイル電流の傾斜に応じたスロープ電圧を生成する電流傾斜検出回路と、
    前記スロープ電圧を前記第1基準電圧に付加して前記第2基準電圧を生成する加算回路と、
    を有することを特徴とする請求項2に記載のDC−DCコンバータ。
  8. 前記制御部は、前記第1増幅器の出力端子と前記第2増幅器の出力端子とを接続することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載のDC−DCコンバータ。
  9. コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式の電源装置の制御回路であって、
    第1基準電圧と出力電圧に応じたフィードバック電圧との第1の差を増幅する第1増幅器と、
    前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅する第2増幅器と、
    前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする制御部と、
    を有することを特徴とする制御回路。
  10. コンパレータの比較結果に応じてスイッチ回路をオンオフ制御するコンパレータ方式の電源装置の電源電圧制御方法であって、
    第1基準電圧と出力電圧に応じたフィードバック電圧との第1の差を増幅するとともに、前記第1基準電圧と前記フィードバック電圧の積分値との第2の差を増幅し、
    前記第1の差が、前記第2の差に応じた差に達した場合に、前記スイッチ回路のオンオフを切り替える制御をする、
    ことを特徴とする電源電圧制御方法。
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